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1、某型飞机发动机短舱结构设计高永强，李善勋，黎小宝，李琼（中航工业洪都 ，江西 南昌 330024）摘 要 ：针 对某型飞机的特点 ，提出了该发动机固定短舱主传力结构的设计方案 ，并 用 MSC/Patran软 件 进行了有限元分析 ；根 据 计 算 结 果 ，结合发动机的安装和维护要求 ，对方案进行逐步优化并确定最终方案 。关 键 词 ：发 动 机 短 舱 ；有 限 元 分 析 ；优 化Structural Design of an Aircraft Engine NacelleGao Yonggiang, Li Shanxun, Li Xiaobao, Li Qiong(AVIC Hongd
2、u Aviation Industry Group, Nanchang, Jiangxi, 330024)Abstract: Based on the trainers characteristics, this paper puts forward a design scheme for main force transmissionstructure of the engine nacelle, and makes finite element analysis with MSC/Patran software. Based upon the result, this scheme is
3、gradually optimized and finalized in combination with the requirements for the engine installation and maintenance.Key words: Engine nacelle; finite element analysis; optimized1.2 短舱的接口 该发动机与飞机的相对关系如图1所 示 ，发 动 机 安装节的分布如图2所 示 ，短 舱 与 飞 机的对接接口如 图3所示 。0引 言某低速飞机的发动 机布置在机翼腹部 ， 发 动 机 短舱将发动机包覆在内部 ， 为 发 动机提供
4、安装平台 及 必 要 的 防 护 ， 该飞机与短舱在 发动机的后上方连 接 ； 短舱需保障发动机在各种使 用环境和飞行状态 下均能正常工作 ， 并将发动机的 推力转换为飞机的 动力 ，实现空中的推进和转向等操作 。螺 旋 桨发 动 机低 速 飞 机连 接 装 置发 动 发 动 机 和 螺 旋 机 安1设计要求及接口1.1 短舱的设计要求1) 发动机固定在短舱内 ， 短舱应能承受发动机 的重力和推力 ，并能承受由此带来的各种力矩 ；桨 重 心 位 置装 平 面L2L12) 短舱应采用可靠的传力 方 式 ，传 力 路 径 设 计从发动机安装节开始 ，至短舱外接接口结 束 ，不 允 许 其他连接在发
5、动机上的构件传递推力 。图1 发动机与飞机的相对关系 19教练机 2013.NO.4教练机T R A A I I N E R由图1可见，发动机相对飞机向前偏心明显 ，其重 心与飞机安装接口中心的距离为L1， 发动机的4个安 装节在框平面内沿发动机轴线30对称布置， 飞机与 发动机短舱采用12个沿周向均匀布置的螺栓连接。根据载荷的特点，当发动机正向推力(X轴负向)作 用时 ，推力引起Z轴负向的力矩M1，Y向惯性载荷引 起 Z轴正向的力矩My，合力 矩 为(My-M1)；当 发 动 机 反 向 推 力(X轴 正 向)作 用 时 ，推 力 引 起Z轴 正 向 的 力 矩 M2，Y 向惯性载荷仍引起
6、Z 轴 正 向 的 力 矩 My，合 力 矩 为(My+M2)，因此反向推力作用时短舱的受力更严重 。2 短舱的结构设计2.1 短舱的方案设计根据发动机短舱的功能 和 要 求 ，短 舱 拟 采 用 框 、长桁及蒙皮组成的金属薄壁结构 。 其 中 ，Y向 、Z向 集 中 力 及 X 向的力矩等横向载荷可由发动机对 接 框 向 长桁与蒙皮组成的壁板传递 ，X向 集 中 力 及Y向 、Z向 力矩等纵向载荷可由发动机对 接 框 向 梁 、 长 桁 等 纵 向 构 件 传 递 ， 最终所有载荷通 过短舱与飞机的连接 装置将载荷向上传递 ，实现短舱的传载功能 。短舱的结构形式确 定 后 ， 还须确定发动机
7、与短 舱及短舱与飞机的连接方式 。 根据发动机的接口特 点 ，发 动 机 与 短舱可采用两种方式连接 ：第 1 种 为 短 舱与发动机仅在安装节处连接 ， 所有载荷均通过安 3030图2 发动机安装节的分布 12-XY装节向短舱输出 ；第2种 与 第1种 相 比在发动机的头 部增加了前吊挂 。 短 舱 与 飞 机 之间也可采用两种方 式 连 接 ：第 1种为集中力的形式 ，在飞机与短舱之间 布 置 多 根 连 接 拉 杆 ， 优点是连接方便 、 安 装 通 路 好 ； 第 2 种为分散力的形式 ， 在短舱与飞机之间布 置机加接头采用紧固件连接 ，优 点 是 载 荷 分 散 、应 力 集中较小
8、。短舱的初步方案 ：短 舱 与 发 动 机 除 在 4个 安 装 节 处 连 接 ， 还在发动机头部设置前 吊 挂 ， 由 前 吊 挂 向 短 舱 传 递 部 分 Y 向载荷以减小后部安装节的 输 出 载 荷 ； 在飞机与短舱之间采用8根 拉 杆 进 行 连 接 固 定 ， 如图4所示 。图3 短舱与飞机的对接接口 1.3 短舱的载荷该飞机为低速飞机 ， 飞行过程中的气动载荷不 予 考 虑 ，短舱承受的主要载荷是发动机推 力 载 荷 、短舱及发动机的惯性载荷 ，载荷系数见表1所示 。表1 发动机短舱载荷系数 工 况X（航 向 ） Y（垂 直 ） Z（侧 向 ）推 力 方 向反 向 推 力T2反
9、 向 推 力T23x3y3z3M1M2图4 短 舱 初 步 方 案20教练机 2013.NO.4发 动 机 陀 螺 扭 矩 力 矩正 向 推 力T1 1x1y1z1M1M2正 向 推 力T1 2x2y2z2M1M2正 向 推 力T1反 向 推 力T2备 注 ：1) 发 动 机 推 力 与X向 过 载 叠 加2) 发 动 机 扭 矩 与Z向载荷产生的弯矩叠加 3) 陀 螺 力 矩 与X向载荷产生的弯矩叠加 4) 正 向 推 力 为T1，反 向 推 力 为T25) 坐标系定义如下 ： 原 点O为发动机水平基准线与飞机对接转轴的 交 点 ；X轴与水平基准线重合 ，逆 航 向 为 正 ；Y轴 垂 直
10、于 X轴 向 上 为 正 ；Z轴按右手法则确定 专题研究用Patran软件建立有限元模型，蒙皮用Membrance元 模 拟 ，长 桁 、前吊挂及与安装接口连接的拉 杆 采 用 Rod元模拟 ，框用Beam元模 拟 ，约 束8根拉杆顶部的节 点 ，加载点取发动机重心 ，在前吊挂及主安 装 节 与 发 动机重心之间用MPC连接 ，分析模型见图5所示 。123123 123 123 123123123123图7改进的结构方案 图5 初步方案的分析模型 进 行 分 析 后 ， 所 示 。前吊挂及拉杆的最 大 内 力 见 图 6图8 改进方案的分析模型 表2 计 算 结 果长 桁图6 拉杆及前吊挂的内
11、力 可 见 ，最 大 拉 力 （359604N）出现在靠近中间位置 的 拉 杆 上 ，而中间的拉杆主要用于传递侧向载 荷 ，受 短 舱 尺 寸 的 限制拉杆的数量及侧向角度均无法增 加 ，拉杆的载荷无法降低 ，因此采用拉杆连接 的 结 构 方案难以实现 ，方案须改进 。改 进 方 案 ：鉴于初步方案的缺点 ，在 短 舱 与 飞 机 之间布置机加接头 ， 将拉杆连接的集中 力 传 载 改 为 紧固件连接的分布力传载 ，如图7所示 。有限元模型同样采用MSC/Patran建 立 ，接 头 采 用 Shell元 进 行 模 拟 ，其他元件与初步方案相同 ，如 图 8 所示 。框根 据 发 动 机 的
12、 要 求 ， 短舱还须在发动机前封严 板处设置分离面 ， 将 发 动 机的进气室与头部燃烧室 的高温区隔离开 。 为传递前吊挂的载荷 ，本方案中短 舱在前封严板处保持连续 ， 难以确保前封严板安装 后的气密性 ，方案仍需改进 。2029512754 18695 15879112831930713761用 Nastran 进 行 分 析 后 ，主要分析结果如表 2 所1520918589示，接头的支反力如图9所示 。可 见 ，蒙 皮 、长桁及框的应力可控 ，均 在 铝 合 金 的 强 度 极 限 内 ，顶部接头支反力的方向符合规 律 、量级合理 ，结构方案基本可行 。13810196391342
13、5图9 接 头 的 支 反 力21教练机 2013.NO.4部 位 分 析 结 果蒙 皮 最 大 剪 应 力 63Mpa最 大 拉 应 力 151Mpa最 大 压 应 力 -129Mpa框缘的最大拉应力 365Mpa框缘的最大压应力 -280Mpa教练机T R A A I I N E R最 终 方 案 ：在改进方案的基 础 上 ，取 消 与 发 动 机 连 接 的 前 吊 挂 ，发动机与短舱仅在安装节 处 连 接 ，同 时短舱在前封严板处分为两段 ， 前段结构仅维持外 形不参与承载 ，后段结构为整个短舱的主承力结构 。考虑到该飞机速度较低 ，对气动外形要求不高 ，点 支 撑 ，螺栓的受力可简化
14、为双支点外 伸 梁 ，其 弯 矩 分布如图14所示 。为方便生产将短舱外形设计为多边 形 ， 图10所示 。后 段 结 构 如发动机安装接头 外 形发动机轴线图11 发 动 机 对 接 框安 装 节与 短 舱 对 接 面图10 最 终 方 案计算分析后 ，主要结果见表3所示 。表3 计 算 结 果减 振 器减 振 器图12 减 震 器 安 装长 桁框与前一方案相比 ，蒙 皮 、长桁及框等主要构件的 应 力 变 化 不 大 ， 且能够满足发动 机的安装和维护要 求，方案合理可行 。2.2 短舱的细节设计2.2.1 发动机固定结构根据表1所示作用在短舱重心的载荷为X、Y、Z三 个 方 向 的 力
15、及X、Z方 向 的 力 矩 ，载 荷 全 部 通 过 发 动 机 上 对 称 布 置 的4个 安 装 节 输 出 （安装节布置见图 2）。 在 安 装节对接处布置一个加强框承担面内载荷 ，并 在框后布置推力梁承担航向载荷 。加强框采用槽形截面 ，并 向 内 侧 伸 出 4个 发 动 机 的安装接头 ，在框前与发动机对接 ，如图11所示 。因发动机安装时 ，需 在 框 前 安 装 减 振 器 ，而 减 震 器厚度尺寸较大 ，其安装示意如图12所示 。偏心距较大导致短 舱上的连接螺栓及固定底座 受 弯 严 重 ，为提高结构的抗弯能力 ，框 上 的 螺 栓 固 定 底座设计为4边组成的盒形结构 ，如
16、图13所示 。底座的两个侧边与 推力梁连接提供垂直框平面 的 航 向 支 持 ， 前后两个边在框平 面内为螺栓提供两 图13 固 定 底 座P图14 螺栓的弯矩分布 与弯矩分布相对应 ，螺 栓设计为中间直径大 、两 侧直径小的双锥形结构 ； 为 防 止发动机安装时螺栓 转 动 ， 在螺栓的末端布置了四边 形 挡 块 ， 如 图15所 示 ；装 配 时 ，该挡块与放置在固定底 座内的垫块配合 可有效防止螺栓转动 ，如图16所示 。挡 块图15 发动机固定螺栓 22教练机 2013.NO.4发 动 机 轴 线部 位 分 析 结 果蒙 皮 最 大 剪 应 力 56Mpa最 大 拉 应 力 79Mpa最 大 压 应 力 -161Mpa框缘的最大拉应力 333Mpa框缘的最大压应力 -197Mpa蒙 皮推 力 梁框接 头
